Introducción y Parámetros de Antenas

ANTENAS
Introducción. Parámetros de Antenas
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Introducción
Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación
específicamente diseñadas para radiar o recibir ondas
electromagnéticas.
También se pueden definir como los dispositivos que adaptan las
ondas guiadas, que se transmiten por conductores o guías, a las
ondas que se propagan en el espacio libre.
Los sistemas de Comunicaciones utilizan antenas para realizar
enlaces punto a punto, difundir señales de televisión o radio, o bien
transmitir o recibir señales en equipos portátiles.
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Breve reseña histórica
Los primeros sistemas de comunicación eléctricos fueron la
telegrafía, introducida en 1844, seguida por la telefonía, en el año
1878. En estos sistemas, las señales se enviaban a través de líneas de
transmisión de dos hilos conductores, que conectaban el emisor con
el receptor.
Las teoría de las antenas surge a partir de los desarrollos
matemáticos de James C. Maxwell, en 1854, corroborados por los
experimentos de Heinrich R. Hertz, en 1887, y los primeros sistemas
de radiocomunicaciones de Guglielmo Marconi en 1897.
La primera comunicación transoceánica tuvo lugar en 1901, desde
Cornualles a Terranova. En 1907 ya existían servicios comerciales de
comunicaciones.
Desde la invención de Marconi, hasta los años 40, la tecnología de las
antenas se centró en elementos radiantes de hilo, a frecuencias hasta
UHF. Inicialmente se utilizaban frecuencias de transmisión entre 50 y
100 kHz, por lo que las antenas eran pequeñas comparadas con la
longitud de onda. Tras el descubrimiento del tríodo por De Forest, se
puedo empezar a trabajar a frecuencias entre 100 kHz y algunos
MHz, con tamaños de antenas comparables a la longitud de onda.
A partir de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron nuevos
elementos radiantes (como guiaondas, bocinas, reflectores, etc). Una
contribución muy importante fue el desarrollo de los generadores de
microondas (como el magnetrón y el klystron) a frecuencias
superiores a 1 GHz.
En las décadas de 1960 a 1980 los avances en arquitectura y
tecnología de computadores tuvieron un gran impacto en el
desarrollo de la moderna teoría de antenas. Los métodos numéricos
se desarrollaron a partir de 1960 y permitieron el análisis de
estructuras inabordables por métodos analíticos. Se desarrollaron
métodos asintóticos de baja frecuencia (método de los momentos,
diferencias finitas) y de alta frecuencia (teoría geométrica de la
difracción GTD, teoría física de la difracción PTD).
En el pasado las antenas eran una parte secundaria en el diseño de
un sistema, en la actualidad juegan un papel crítico. Asimismo en la
primera mitad del siglo XX se utilizaban métodos de prueba y error,
mientras que en la actualidad se consigue pasar del diseño teórico al
prototipo final sin necesidad de pruebas intermedias.
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El espectro electromagnético
Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y
longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias se denomina
espectro.
1 KHz
ELF
1 MHz
VLF
LF
MF
1 GHz
HF
VHF
UHF
1 THz
SHF
EHF
IR
IR
L S C X K
1000 km
1 km
1m
1 mm
1 öm
Radio
Microondas
Las ondas se clasifican por bandas. Las denominaciones de las
bandas de frecuencia se pueden realizar por décadas, como por
ejemplo MF, HF, VHF, UHF.
frec. mínima frec. máxima λ máxima λ mínima
Banda
Denominación
ELF
Extremely Low Frequency
-
3 kHz
-
100 km
VLF
Very Low Frequency
3 kHZ
30kHz
100 km
10 km
LF
Low Frequency
30 kHz
300 kHz
10 km
1 km
MF
Medium Frequency
300 kHz
3 MHz
1 km
100 m
HF
High Frequency
3 MHz
30 MHz
100 m
10 m
VHF
Very High Frequency
30 MHz
300 MHz
10 m
1m
UHF
Ultra High Frequency
300 MHz
3 GHz
1m
10 cm
SHF
Super High Frequency
3 GHz
30 GHz
10 cm
1 cm
EHF
Extremely High Frequency
30 Ghz
300 GHz
1 cm
1 mm
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En Televisión y FM se utilizan otras denominaciones como Banda I,
Banda II, Banda III, IV y V
Banda
frec. mínima
frec. máxima
Canales
I
47 MHz
68 MHz
2,3,4 VHF
II
88 MHz
108 MHz
FM
III
174 MHz
230 MHz
5 al 12 VHF
IV
470 MHz
606 MHz
21 al 37 UHF
V
606 MHz
862 MHz
38 al 69 UHF
A frecuencias de microondas se utilizan otras denominaciones, como
bandas L,C,S,X, que provienen de los primeros tiempos del radar.
Banda frec. mínima frec. máxima λ máxima λ mínima
L
1 GHz
2 GHz
30 cm
15 cm
S
2 GHZ
4 GHz
15 cm
7.5 cm
C
4 GHz
8 GHz
7.5 cm
3.75 cm
X
8 GHz
12.4 GHz
3.75 cm
2.42 cm
Ku
12.4 GHz
18 GHz
2.42 cm
1.66 cm
K
18 GHz
26.5 GHz
1.66 cm
1.11 cm
Ka
26.5 GHz
40 GHz
11.1 mm
7,5 mm
mm
40 GHz
300 GHz
7.5 mm
1 mm
A frecuencias superiores nos encontramos con la parte del espectro
electromagnético correspondientes al infrarrojo, visible y
ultravioleta. A frecuencias superiores tenemos los rayos X y los
rayos Gamma, de energía mayor y longitudes de onda más
reducidas.
Banda
Denominación
frec. mínima frec. máxima λ máxima λ mínima
Región submilimétrica
300 GHz-
800 GHz
1 mm-
0,4 mm
IR
Infrarrojo
800 GHZ
400 THz
0,4 mm
0,8 µm
V
Visible
400 THz
750 THz
0,8 µm
0,4 µm
UV
Ultravioleta
750 THz
10000 THz
400 nm
12 nm
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Diagramas de radiación
El diagrama de radiación de una antena se define como la
representación gráfica de las características de radiación en función
de la dirección angular.
Sistema de coordenadas
Se utilizará habitualmente un sistema de coordenadas esférico. Las
tres variables de un sistema esférico son ( r, θ , φ )
En un sistema coordenado esférico las superficies r=cte son esferas,
θ=cte son conos, mientras que φ=cte son semiplanos. La intersección
de las tres superficies determina la orientación de los tres vectores
unitarios, que son perpendiculares a las superficies respectivas.
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Diagramas tridimensionales
Se puede representar el campo eléctrico, magnético o la densidad de
potencia radiada. Dado que los campos son magnitudes vectoriales
se pueden representar el módulo o la fase de sus componentes. Las
formas de representación pueden ser tridimensionales o
bidimensionales, en escalas lineal o logarítmica. La siguiente figura
es la representación tridimensional de los campos radiados por una
antena.
Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama
tridimensional se opta por representar cortes del diagrama en
coordenadas polares o cartesianas. Los cortes corresponden a la
intersección del diagrama 3D con planos.
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Diagramas bidimensionales
Un corte bidimensional en coordenadas polares se representaría
como
En coordenadas cartesianas y escala logarítmica
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Curvas de nivel
Cuando la antena es muy directiva, y especialmente en el caso de
antenas bidimensionales, se suelen utilizar métodos de
representación en forma de curvas de nivel o en forma de funciones
tridimensionales. Las gráficas siguientes corresponden a una antena
de apertura de dimensiones 2x2 longitudes de onda.
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Parámetros Fundamentales de las Antenas
Densidad de potencia radiada
La densidad de potencia radiada se define como la potencia por
unidad de superficie en una determinada dirección. Las unidades
son watios por metro cuadrado. Se puede calcular a partir de los
valores eficaces de los campos como
ur
r r
P (θ , φ ) = Re E × H *
(
)
La relación entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del
campo magnético es la impedancia característica del medio
r
E
r =η
H
Por lo tanto, la densidad de potencia radiada también se puede
calcular a partir de las dos componentes del campo eléctrico.
ur
Eθ2 + Eφ2
P (θ , φ ) =
η
La potencia total radiada se puede obtener como la integral de la
densidad de potencia en una esfera que encierre a la antena.
uur
r
Wr = ∫∫ P (θ , φ ) ⋅ ds
La intensidad de radiación es la potencia radiada por unidad de
ángulo sólido en una determinada dirección. Las unidades son
watios por estereoradián. Dicho parámetro es independiente de la
distancia a la que se encuentre la antena emisora.
La relación entre la intensidad de radiación y la densidad de potencia
radiada es
K (θ , φ ) = P (θ , φ ) r 2
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La potencia total radiada se puede calcular integrando la intensidad
de radiación en todas las direcciones del espacio.
Wr = ∫∫ K (θ , φ ) d Ω = ∫∫ K (θ , φ ) sin(θ )dθ d φ
Directividad
La Directividad de una antena se define como la relación entre la
densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la
densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena
isotrópica,, a igualdad de potencia total radiada.
D (θ , φ ) =
P(θ ,φ )
Wt
4π r 2
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la
Directividad se refiere a la dirección de máxima radiación
D=
Pmax
Wt
4π r 2
La directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de
radiación de la antena
D=
Pmax
∫∫ P (θ , φ ) sin(θ ) dθ dφ
4π r 2
Simplificando términos, resulta
D=
4π
P (θ , φ )
∫∫ Pmax sin(θ )dθ dφ
=
4π
Ωe
Ω e se define como el ángulo sólido equivalente.
Para antenas directivas, con un solo lóbulo principal y lóbulos
secundarios de nivel despreciable, se puede obtener una directividad
aproximada considerando que se produce radiación uniforme en el
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ángulo sólido definido a partir de los anchos de haz a –3dB en los
dos planos principales del diagrama de radiación.
D=
4π
4π
=
Ω e θ1θ 2
Ganancia
La ganancia de una antena se define como la relación entre la
densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de
potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias
y potencias entregadas a la antena.
G (θ ,φ ) =
P (θ ,φ )
We
4π r 2
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la
Ganancia se refiere a la dirección de máxima radiación.
P
G = max
We
4π r 2
En la definición de Directividad se habla de potencia radiada por la
antena, mientras que en la definición de ganancia se habla de
potencia entregada a la antena. La diferencia entre ambas potencias
es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.
La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia
radiada por una antena y la potencia entregada a la misma. La
eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1.
La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia
G (θ , φ ) = D (θ , φ ) η
Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la Directividad y la
Ganancia son iguales.
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Polarización
La polarización de una antena es la polarización de la onda radiada
por dicha antena en una dirección dada.
La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por
el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función
del tiempo, en una posición dada. Para ondas con variación
sinusoidal dicha figura es en general una elipse. Hay una serie de
casos particulares.
Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente
polarizada, si es un círculo circularmente polarizada.
El sentido de giro del campo eléctrico, para una onda que se aleja del
observador, determina si la onda está polarizada circularmente a
derechas o a izquierda. Si el sentido de giro coincide con las agujas
del reloj, la polarización es circular a derechas. Si el sentido de giro es
contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a
izquierdas. El mismo convenio aplica a las ondas con polarización
elíptica.
Se define la relación axial de una onda polarizada elípticamente,
como la relación entre los ejes mayor y menor de la elipse de
polarización. La relación axial toma valores comprendidos entre 1 e
infinito.
Los campos se pueden representar en notación fasorial. Para
determinar la variación temporal es suficiente con determinar el
valor real de cada una de las componentes. Los ejemplos que se citan
a continuación son para ondas planas que se propagan en la
dirección del eje z.
Las expresiones siguientes representan campos con polarización
lineal
r
ˆ j (ωt − kz )
E = xe
r
j ω t −kz )
E = ( xˆ + 0.5 yˆ ) e (
Las expresiones siguientes representan campos con polarización
circular, la primera a izquierdas y la segunda a derechas
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r
j ω t − kz )
E = ( xˆ + jyˆ ) e (
r
j ω t −kz )
E = ( xˆ − jyˆ ) e (
Finalmente los siguientes ejemplos corresponden a polarizaciones
elípticas
r
ω−
E = ( 2 xˆ + jyˆ ) e j ( t kz )
r
ω−
E = ((1 + j ) xˆ − jyˆ ) e j ( t kz )
Se produce una polarización lineal cuando las fases de dos
componentes ortogonales del campo eléctrico difieren un múltiplo
entero de π radianes. Se produce polarización circular cuando las
amplitudes son iguales y la diferencia de fase entre las componentes
es π/2 o 3π/2. La polarización es elíptica en los demás casos.
Cualquier onda se puede descomponer en dos polarizaciones lineales
ortogonales, sin más que proyectar el campo eléctrico sobre vectores
unitarios orientados según dichas direcciones. Aplicando el mismo
principio, cualquier onda se puede descomponer en dos ondas
polarizadas circularmente a derechas o izquierdas.
Por ejemplo la siguiente expresión representa una onda polarizada
elípticamente a derechas, con relación axial 3.
r
E = ( 3 xˆ − jyˆ ) e j (ωt − kz )
Se puede descomponer en dos ondas polarizadas linealmente de
amplitudes 3 y –1, o bien en dos ondas porlarizadas circularmente a
derechas e izquierdas
r
E = ( 3 xˆ − jyˆ ) e j (ωt − kz ) = A( xˆ − jyˆ )e j (ω t− kz ) + B( xˆ + jyˆ) e j (ω t− kz )
Resolviendo el siguiente sistema de ecuaciones se determinan los
valores de A y B
A+ B = 3
A− B = 1
Los valores son A=2, B=1.
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Impedancia
La impedancia de una antena se define como la relación entre la
tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia
es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de
antena y la parte imaginaria, reactancia de antena.
Zi =
Vi
= Ra + jX a
Ii
Se define la resistencia de radiación como la relación entre la
potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente
en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado.
Se refine la resistencia óhmica de una antena como la relación entre
la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente
en sus terminales al cuadrado.
Por lo tanto la resistencia de antena la podemos considerar como la
suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica.
Zi =
Vi
= Ra + jX a = ( Rr + RΩ ) + jX a
Ii
La eficiencia de una antena se puede obtener a partir de las
resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en cuenta que es la
relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la
antena.
η=
Wt
Wt
I 2 Rr
Rr
=
= 2
=
We Wt + WΩ I ( Rr + RΩ ) Rr + RΩ
Adaptación
Las antenas receptoras tienen un circuito equivalente de Thevenin,
con una impedancia de antena y un generador de tensión. La
transferencia de potencia entre la antena y la carga es máxima
cuando ambas impedancias son complejas conjugadas.
2
V
Wr = a
4Ra
m
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En general, si no hay adaptación, la potencia recibida por una carga
RL + jX L conectada a una antena de impedancia Ra + jX a se puede
calcular como
2
Va R L
Wr =
( Ra + RL ) + ( X a + X L )
2
2
Se define el coeficiente de adaptación como la relación entre la
potencia recibida y la potencia que se recibiría en el caso de máxima
transferencia de potencia. Toma valores entre 0 y 1.
Ca =
Wr
4 Ra RL
=
2
2
m
Wr
( Ra + RL ) + ( X a + X L )
Área y longitud efectivas
El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y
la densidad de potencia incidente en una antena. La antena debe
estar adaptada a la carga, de forma que la potencia transferida sea la
máxima. La onda recibida debe estar adaptada en polarización a la
antena.
Aef =
Wr
Pi
La longitud efectiva de una antena linealmente polarizada se define
como la relación entre la tensión inducida en una antena en circuito
abierto y el campo incidente en la misma.
lef =
Va
Ei
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Ecuación de transmisión
Consideremos un enlace de comunicaciones entre dos puntos, con
dos antenas separadas una distancia r. Si la antena transmisora fuera
isotrópica, es decir si la potencia transmitida se repartiera por igual
en todas las direcciones del espaciao, la densidad de potencia en
cualquier punto sería
Pi (θ , φ ) =
Wt
4π r 2
En un caso real la antena transmisora es directiva, por lo que para
calcular la densidad de potencia hay que tener en cuenta la
definición de directividad
Pi (θ , φ ) =
Wt
D (θ , φ )
4π r 2
La potencia recibida en una antena, en el caso de tener adaptación
sera
Wr = P (θ , φ ) Aef (θ ',φ ' )
Si las antenas transmisora y receptora están orientadas en la
dirección de los máximos de los diagramas de radiación, la expresión
final será
Wr =
Wt
DAef
4π r 2
La relación entre el área efectiva y la directividad de cualquier
antena, tal y como se demostrará posteriormente es:
λ2
Aef = D
4π
La ecuación de transmisión queda finalmente como
Wr =
 λ2 
Wt
D
t  Dr

4π r 2  4π 
Wr  λ 
=
 Dt Dr
Wt  4π r 
2
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